激光束整形概述

激光束的形状通常由其辐照度分布和相位来定义。 后者对于确定光束轮廓在其传播距离上的均匀性至关重要。 因此，光束整形器被设计为重新分配光束的辐照度和相位，以获得沿着期望的传播距离保持的期望的光束轮廓。 常见的辐照度分布包括高斯分布，其中辐照度随径向距离的增加而减小；以及平顶光束，也称为礼帽光束，在给定区域内辐照度恒定（图1）。

图1：对于高斯光束轮廓（左），根据高斯方程，辐照度会随着距中心距离的增加而减小。 对于平顶光束（右），在给定区域上的辐照度是恒定的。

一些应用受益于不同于通常为高斯的激光源的光束轮廓。 例如，平顶轮廓在诸如某些材料加工系统的应用中是有利的，因为与高斯光束相比，平顶轮廓通常会导致更准确和可预测的切口和边缘（图2）。 但是，引入光束整形光学器件会增加系统的复杂性和成本。

图2：在激光烧蚀应用中，具有高斯轮廓的光束效率比具有平坦顶部轮廓的光束效率低，这是因为大光束区域的多余能量高于所需的烧蚀阈值，并且能量低于高斯轮廓的外部阈值 。

光束整形可在最基本的水平上改变光的属性，其效率由时间带宽上的海森堡不确定性原理确定：1

x代表位置，v代表动量。 不确定性原理给光束整形器的设计增加了一些限制。 例如，对于位置非常明确的设计，空间频率变得不那么明确。 将不确定性原理应用于衍射理论，即菲涅耳积分中的傅立叶变换关系，可获得特征参数ββ：

其中ro是输入光束的半宽度，ri是输出光束的半宽度，C是常数，λ是波长，z是到输出平面的距离。 当设计或考虑波束成形应用时，β的值非常重要，因为较大的值对应于更好的波束成形性能。 例如，对于β<4β<4，对于任何激光应用，光束整形器将不会产生可接受的结果，而4 <β<164 <β<16则将提供较低的性能。 因此，为了获得**性能，应采用导致β>16β> 16的实验条件。 该公式意味着为更大的光束，更短的波长和更短的聚焦距离设计光束整形器将更加直接。

折射光束整形

在以成本为驱动因素的低性能系统中，高斯光束可能会被通光孔径物理截断，以形成伪平坦的顶部轮廓。这效率低下，浪费了高斯分布图外部区域的能量，但是却使系统的复杂性和成本降至最低。

需要更高效率的高性能应用通常使用折射和衍射激光束整形器。这些组件通常利用场映射相位元素（例如非球面或自由形式的透镜和衍射元素）来重新分布激光的辐照度和相位分布。图3显示了折射场映射器的示例布局，该映射器通过波前畸变和能量守恒条件将高斯光束轮廓转换为平坦的顶部轮廓。2入射光束的振幅和相位在通过伽利略中的两个元素之后都会发生变化。或Keplerian镜头组件。在设计范围内，最终的光束整形效率很高（通光量> 96％），并且与波长无关。折射光束整形器可实现均匀的辐照度分布和平坦的相位前锋。

图3：使用场映射的折射光束整形示例2

但是，通过透镜聚焦平顶光束不会在最终聚焦点处产生平顶轮廓，因为透镜会影响光束轮廓。 当需要平顶聚焦点时，可以使用场映射器将高斯光束转换为准直的艾里斑轮廓，在用无衍射透镜聚焦后形成平顶斑（图4）。

图4：描述了一些光束整形器（例如AdlOpticaFocal-πShaperQ平顶光束整形器）如何将入射的高斯光束轮廓转换为通风的圆盘轮廓，以便在通过聚焦光学器件传输后产生平坦的顶光束轮廓。

衍射光束整形

衍射光束整形器利用衍射而不是折射将激光束整形为特定的辐照度分布。 衍射元件采用蚀刻工艺在基板中创建特定的微结构或纳米结构。 通常，元件的设计波长和功能分别取决于高度和区域间隔。 因此，为了避免性能误差，在设计波长处使用衍射光学元件是必不可少的。 与折射光束整形器相比，衍射元件还更多地取决于对准，发散以及光束在标称工作距离平面中的位置。 另一方面，衍射光学元件在空间受限的激光装置中是非常有利的，因为它们通常由单个元件而不是多个折射透镜制成。

激光光束积分器

激光光束积分器或均化器由多个透镜组成，这些透镜将光束分成较小光束或小束的阵列，然后是将小束叠加在目标平面上的透镜或其他聚焦元件。它们可以与相干激光和其他不相干光源一起使用。通常，最终的输出光束轮廓是由小透镜阵列确定的衍射图样的总和。大多数激光束积分器用于从入射的高斯光束生成均匀的平顶轮廓。光束均化器通常会受到随机辐照度波动的影响，这会导致光束轮廓不完全平坦。基于非衍射的光束积分器，例如成像积分器或波导，也适用于空间不相干的入射光。衍射或成像光束积分器之间的选择取决于菲涅耳数。根据经验，对于小于10的菲涅耳数，将需要一个成像积分器以获得高度均匀的平顶轮廓。3

表1：此表显示了各种应用所需的表面光洁度规格

生成贝塞尔光束的轴心

到目前为止，我们已经讨论了使用场映射或光束积分对光进行整形的方法，其中衍射效应在光学器件的设计和性能中起着主要作用。 衍射是指光在直线中传播所产生的偏离，它不是由反射或折射引起的。 这些衍射效应导致激光束传播时发散。 另一方面，光束由贝塞尔函数描述的光束不发生衍射，贝塞尔函数定义为亥姆霍兹方程的精确和不变解。 也就是它不会随着传播而散开。4这些光束也是自愈的，这意味着它们可以在障碍物后的任何点重整。 但是，理想的贝塞尔光束无法生成，因为它们将需要无限量的能量。 取而代之的是，可以通过由圆锥形表面（如轴锥）形成的平面波的干涉来生成称为准贝塞尔光束的近似贝塞尔光束。

轴锥形成准贝塞尔光束，在给定区域内衍射几乎为零，这被称为其景深（DOF）。 在该区域之后，光束继续以环形模式传播（图5）。 传统的折射轴锥被视为圆锥透镜或棱镜。 光穿过它们，然后在圆锥形表面折射。 在某些情况下，例如超快激光系统，也使用具有反射锥形表面的反射轴。 超快激光器固有的宽波长带宽会经历明显的色散，这些色散会通过折射轴锥棱镜传输，而在反射轴锥中可避免这种色散（图6）。 准贝塞尔光束也可以使用具有高衍射效率的全息方法来生成，但是会受到衍射调制的轴向轮廓的影响。

图5：传统屈光轴锥的示意图，显示了自由度中的贝塞尔光束区域和在重叠区域之后传播的环形光束。

图6：反射轴锥示意图，与传统轴锥一样，该锥轴在自由度中产生贝塞尔光束区域，在重叠区域之后产生环形光束，但与传统轴锥不同，它与波长无关。

贝塞尔光束在其传播距离内几乎没有衍射，甚至没有衍射，并提供了出色的自由度，这使其非常适合激光材料加工和角膜手术等应用。 由于光束直径均匀，因此在自由度中可以生成具有锋利边缘的干净切口。

用圆柱透镜使光束圆化

激光束成形的另一种类型是使光束圆化，这涉及将椭圆形或其他形状的轮廓转换为圆形轮廓。 没有准直光学器件的激光二极管在x轴和y轴上会具有不同的发散角，这是因为二极管的有源区域是矩形的，从而形成长方形光束（图7）。 通常需要圆形轮廓以形成对称的，紧凑的最终聚焦点。

图7：激光二极管的几何形状使它们产生具有两个不同发散角的椭圆光束

像标准球面透镜一样，柱面透镜使用曲面来会聚或发散光，但它们仅具有一维屈光力。 圆柱透镜不影响垂直方向的光线。 使用标准的球面透镜无法实现这一点，因为光将以旋转对称的方式均匀聚焦或发散。 柱面透镜的这种特性使它们可用于形成激光片和使椭圆光束圆形化。

柱面透镜的参考系统由两个正交维度定义：屈光方向和非屈光方向。 “屈光力方向”沿着镜片的弯曲长度延伸，并且是镜片具有屈光力的**轴（图8）。 柱面透镜的“非屈光方向”沿着透镜的长度方向延伸，没有任何屈光力。 柱面透镜沿非屈光方向的长度可以变化，而不会影响透镜的屈光力。 圆柱透镜可以具有多种形状系数，包括矩形，正方形，圆形和椭圆形。

图8：矩形和圆形柱面透镜的屈光力和非屈光力方向

由于激光二极管以非对称模式发散，因此不能使用球形光学器件从二极管产生圆形准直光束。 透镜同时作用在两个轴上，从而保持了光束的原始不对称性。 可以使用一对正交的柱面透镜分别处理每个轴。

为了获得对称的输出光束，两个透镜的焦距之比应与x和y光束散度的比例匹配。 类似于标准准直，激光二极管放置在两个透镜的共享焦点上，并且透镜之间的距离保持等于其焦距之差（图9）。

图9：使用柱面透镜使椭圆光束圆形化的示例

激光二极管的小输出孔径可能会导致非常大的发散角，这在尝试准直光束时可能具有挑战性。 发散度直接影响系统的允许长度和所需的镜头尺寸。 高斯光束传播应用说明中描述了发散度与光束大小之间的关系。 由于每个柱面透镜的相对位置基于其焦距而相当固定，因此可以使用透镜的焦距（f）和透镜的焦距（f）来计算每个透镜的**光束宽度（d）。 透镜准直轴的发散角（θ）。 然后，每个镜头的透明光圈必须大于相应的**光束宽度，以免夹住光束。

用变形棱镜对使光束圆化

变形棱镜对是用于圆形化椭圆光束的其他类型的光学器件。 变形棱镜对由两个棱镜共同构成以重塑激光束。 它们通常用于将椭圆光束轮廓更改为圆形分布，但它们也可以生成各种尺寸的其他椭圆光束轮廓。 重塑背后的光学原理与柱面透镜相同：折射。 光沿一个方向或一个轴弯曲，而另一个轴保持不变（图10）。 这样可以补偿光束的不同发散角。

图10：变形棱镜对在一个方向上充当扩束器，可以使椭圆形光束变圆。

孤立棱镜可以改变单个轴上的光束半径，但是这也会改变光束方向。 在操纵椭圆率时，需要两个棱镜来保持光束的原始传播方向。 变形棱镜对与原始方向保持平行，但它们确实在垂直方向上移动光束。 使用变形棱镜对还需要精确的角度对齐才能正常工作。 这不是必需的，但是将一个棱镜以布鲁斯特角或没有p偏振光反射的入射角定向很有用。 棱镜的另一个表面与光束成法线入射，并且应该镀抗反射（AR）涂层以使吞吐量**化。 所需的精确对准导致许多光学系统集成商将其作为预对准对来购买。

高端激光二极管通常在其激光头中内置有变形棱镜对，以使光束圆化。 但是，许多低成本二极管却没有。 购买单独的变形棱镜对和缺乏集成变形棱镜对的廉价二极管的成本可以比购买更昂贵的二极管的成本低。

圆柱透镜比已安装的变形棱镜对具有更大的自由度，这使它们在对准时更具挑战性。圆柱透镜可能会倾斜，这使得在尝试独立对齐轴时，变形棱镜的宽容度更高。还必须注意圆柱透镜的焦距，以便将它们放置在距激光二极管正确的距离处，以产生准直的圆形输出光束。安装的变形棱镜对用户更加友好。它们已经预先对准了固定的扩展力，因此无需像使用柱面透镜那样自己定位和组装它们。棱镜只有一个轴，该轴必须独立对齐，因为用户只是将棱镜滑入光路。这省去了对准步骤，为用户节省了时间和潜在的挫败感。相对于入射激光束的位置，变形棱镜的物理位置也不那么敏感。

但是，柱面透镜提供的额外自由度会带来更大的灵活性，这可能在研究环境和原型制作中很有用。当透镜具有增透膜时，圆柱透镜还可以提供比变形棱镜对更高的吞吐量。与变形棱镜对相比，光不需要穿过柱面透镜中的材料，如果以布鲁斯特角使用变形棱镜，p偏振光将丢失。

表2：圆柱透镜和变形棱镜对在光束圆化方面的比较